كيف يعمل المولد الكهربائي للصف الثاني عشر

في حياتنا الكثير من النعم التي لا نشعر بقيمتها إلا اذا فقدنها، فقد تعودنا ان نقوم بتشغيل المصابيح أو الاجهزة المنزلية أو الأجهزة في المكتب بمجرد الضغط على المفتاح الكهربي المجاور للجهاز، ولكن لو تخيلنا ان الكهرباء انقطعت ولمدة ايام ستجد أنك لا تستطيع القراءة في الليل كما تعودت ولا تستطيع الاستماع إلى نشرات الأخبار أو مشاهدة التلفاز أو حتى استخدام الانترنت أو الهاتف أو الغسالة أو الميكروويف، ولوخرجت إلى الخارج لوجدت ان محطات الوقود توقفت أو حتى شبكات القطارات تعطلت ولما استطعت ان تستخدم ألة سحب النقود أو ان تنجز أعمالك التي تعودت القيام بها. ولعلك عزيزي القارئ تستطيع ان تذكر المزيد من هذه الأمثلة.

دينامو مثبت على اطار دراجة هوائية لتزود المصباح بالتيار الكهربي

اساسيات هامة

قبل اكتشاف المغناطيسية والكهرباء كانت المولدات تعتمد على الكهرباء الساكنة مثل مولد الفانديجراف الذي استخدم فقط في الابحاث العلمية والتجارب المختبرية حيث انها كانت تعمل بفرق جهد كبير جداً والطاقة الكهربية الناتجة عنها صغير.

وفي عام 1832 توصل العالم مايكل فارادي البريطاني الأصل إلى اكتشاف مذهل وجديد يكمن في توليد فرق جهد كهربي على طرفي موصل عندما يتحرك عمودياً على مجال مغناطيسي. كما توصل عالم امريكي يدعى جوزيف هنري إلى نفس النتائج ايضا ومن ثم قام كلاً من العالمين بعدة تجارب للتحقق من هذه الظاهرة والتي تأكدت بالفعل واطلق عليها بقانون فارادي للحث المغناطيسي.

Michael Faraday

عالم بريطاني في الفيزياء والكيمياء

1791-1867

ما اكتشفه فارادي كان محض الصدفة التامة حيث انه لاحظ انه عندما يقترب مغناطيس من دائرة مغلقة مكونة من ملف موصول بمقياس للتيار الكهربي "اميتر" لاحظ انحراف مؤشر الأميتر وان هذا الانحراف لا بد وان يكون قد نتج عن مصدر لفرق الجهد نتج عن حركة المغناطيس بالنسبة للملف الكهربي، حيث انه لم يكن هناك اي بطارية متصلة مع الملف، ولاحظ العالم فارادي ان انحراف مؤشر الأميتر يزداد مع اقتراب احد قطبي المغناطيس من مركز الملف كما وأن الؤشر ينحرف باتجاه معاكس في حالة سحب المغناطيس بعيداً عن الملف. كذلك وجد ايضا ان سرعة حركة المغناطيس تزيد من قودة انحراف المؤشر، أما إذا توقف المغناطيس عن الحركة يعود المؤشر إلى الصفر.

وفي تجربة أخرى قام بها فارادي تعتمد على الدائرة الكهربية الموضحة في الشكل ادناه. لاحظ فارادي أنه عند لحظة اغلاق مفتاح الدائرة الكهربية ولحظة فتح الدائرة الكهربية مرور تيار في الدائرة الثانوية، وهذا يعود إلى انه في حالة فتح الدائرة الكهربية أو اغلاقها فإن التيار يتغير بين القيمة صفر واقصى قيمة مما يؤدي إلى تغيير في المجال المغناطيسي المتولد في الملف على الجانب الأيسر للدائرة وهذا يؤدي إلى تيار كهربي يمر في الدائرة الثانوية.

يتولد تيار كهربي حثي في الملف الثانوي كلما اغلقت الدائرة الكهربية الرئيسية أو فتحت

توليد قوة دافعة كهربية على اساس قانون فارادي

بدلا من تحريك المغناطيس بالنسبة للملف سوف نقوم الأن بتحريك الملف بالنسبة للمجال المغناطيسي وهذا موضح في الشكل ادناه حيث مجال مغناطيسي عمودي على مستوى الصفحة وهناك دائرة كهربية مكونة من مقاومة متصلة بسلكين موصلين مثبت عليهما قطعة من مادة موصلة فإذا ما قمنا بسحب القطعة الموصلة بسرعة معينة في اتجاه زيادة مساحة الدائرة أو تقليلها فإن تيار كهربي يسري في الدائرة الكهربية واذا وضعنا مصباح صغير بدلا من المقاومة فن المصباح سيضيء كلما سحبنا القطعة الموصله بشرط ان تتحرك بملامسة السلكين بالطبع.

نتيجة لحركة القطعة المعدنية عموديا على المجال المغناطيسي يولد تيار كهربي في الدائرة.

نستنتج مما سبق ان قوة دافعة كهربية تولدت من حركة القطعة المعدنية عموديا على المجال المغناطيسي.

ماذا يحدث لينتج تيار؟

عند اقتراب المغناطيس من الملف فإن التيار الحثي المتولد سوف يعطي مجالا مغناطيسياً، معاكساً للزيادة في المجال المغناطيسي ولهذا فإن التيار الحثي المتولد في الحلقة سيكون في اتجاه عكس عقارب الساعة ليكون اتجاه المجال المغناطيسي الناشئ عنه في عكس الزياة في التدفق الناتج من المغناطيس الخارجي. أي ان التيار الكهربي الحثي هو ناتج عن رفض الملف لعبور خطوط المجال المغناطيسي ومقاومة تغير الفيض المغناطيسي له.

حركة المغناطيس في اتجاه الحلقة يؤدي إلى تولد تيار كهربي حثي في الملف يكون اتجاهه بحيث ينتج عنه مجال مغناطيسي يعاكس المجال الذي احدثه

فكرة عمل المولد الكهربائي "الدينامو"

تركيب المولد الكهربائي "الدينامو"

يكون التيار الكهربي الناتج عن المولد الكهربي هو تيار متردد ويتغير بدالة جيبية مع الزمن كما في الشكل ادناه وذلك لأن التيار الكهربي الحثي الناتج من دوران الملف يتغير في قيمته من قيمة عظمى عندما يكون مستوى الملف عمودياً على مستوى المجال المغناطيسي إلى قيمة صفر عندما يكون مستوى الملف موازيا لخطوط المجال وتتكرر هذه الحلة بدوران الملف.
شكل اليتار الكهربي الناتج عن المولد الكهربي وهو ما يسمى بالتيار المتردد AC current

الخلاصة

تكمن فكرة توليد الكهرباء في دوران ملف مصنوع من سلك نحاس بين قطبي مجال مغناطيسي وهذا يسمى التوربين، المشكلة تكمن في الوسيلة التي نستخدمها لجعل الملف يدور باستمرار وخير مثال على ذلك محطة توليد كهرباء السد العالي حيث تم استخدام فرق منسوبي الماء لتحريك الملف